介紹
NumPy是Python數(shù)值計(jì)算最重要的基礎(chǔ)包请琳，大多數(shù)提供科學(xué)計(jì)算的包都是用NumPy的數(shù)組作為構(gòu)建基礎(chǔ)梧兼。NumPy本身并沒(méi)有提供多么高級(jí)的數(shù)據(jù)分析功能邓梅，理解NumPy數(shù)組以及面向數(shù)組的計(jì)算丧蘸，將有助于你更加高效地使用諸如Pandas之類(lèi)的工具。
雖然NumPy提供了通用的數(shù)值數(shù)據(jù)處理的計(jì)算基礎(chǔ)斗搞，但大多數(shù)讀者可能還是想將Pandas作為統(tǒng)計(jì)和分析工作的基礎(chǔ)，尤其是處理表格數(shù)據(jù)時(shí)慷妙。
NumPy的部分功能如下：
- ndarray僻焚，一個(gè)具有矢量算術(shù)運(yùn)算和復(fù)雜廣播能力的快速且節(jié)省空間的多維數(shù)組。
- 用于對(duì)整組數(shù)據(jù)進(jìn)行快速運(yùn)算的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)函數(shù)（無(wú)需編寫(xiě)循環(huán)）膝擂。
- 用于讀寫(xiě)磁盤(pán)數(shù)據(jù)的工具以及用于操作內(nèi)存映射文件的工具虑啤。
- 線性代數(shù)、隨機(jī)數(shù)生成以及傅里葉變換功能架馋。
- 用于集成由C狞山、C++、Fortran等語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼的A C API叉寂。
NumPy之于數(shù)值計(jì)算特別重要是因?yàn)樗梢愿咝幚泶髷?shù)組的數(shù)據(jù)萍启。這是因?yàn)椋?/p>
- 比起Python的內(nèi)置序列，NumPy數(shù)組使用的內(nèi)存更少屏鳍。
- NumPy可以在整個(gè)數(shù)組上執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算勘纯，而不需要Python的for循環(huán)。
使用下面格式約定钓瞭，引入NumPy包：
import numpy as np
NumPy的ndarray：N維數(shù)組對(duì)象
NumPy最重要的是其N(xiāo)維數(shù)組對(duì)象（即ndarray）驳遵，其中的所有元素必須是相同類(lèi)型的。該對(duì)象是一個(gè)快速而靈活的大數(shù)據(jù)集容器山涡，可以利用這種數(shù)組對(duì)整塊數(shù)據(jù)執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算堤结，其語(yǔ)法跟標(biāo)量元素之間的運(yùn)算一樣。
創(chuàng)建ndarray
- 使用np.array(list/tuple, dtype=np.float32)函數(shù)佳鳖，產(chǎn)生一個(gè)新的含有傳入數(shù)據(jù)的ndarray對(duì)象霍殴。
第一個(gè)參數(shù)為元組、列表（相同數(shù)據(jù)類(lèi)型）系吩，第二個(gè)參數(shù)為ndarray數(shù)組中的數(shù)據(jù)類(lèi)型来庭。當(dāng)?shù)诙€(gè)參數(shù)為空時(shí)，NumPy將根據(jù)數(shù)據(jù)情況指定一個(gè)類(lèi)型穿挨。
返回值為[ ]形式月弛，元素間由空格分割。
In [20]: arr1 = np.array([6, 7.5, 8, 0, 1]) #從列表創(chuàng)建
?In [21]: pring(arr1)
Out[21]: [ 6. , 7.5, 8. , 0. , 1. ] #NumPy根據(jù)數(shù)據(jù)情況科盛，指定了float類(lèi)型
?In [23]: arr2 = np.array([[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8],(1.2 , 2.3)])
?In [24]: pring(arr2)
Out[24]: [[1, 2, 3, 4] [5, 6, 7, 8] (1.2 , 2.3)]
- 使用NumPy中的內(nèi)置函數(shù)
np.arange(begin,end,step,dtype=np.float32)：begin為元素起始值（包含）帽衙，end為元素結(jié)束值（不包含），step為步長(zhǎng)（默認(rèn)值為1）贞绵，dtype為元素類(lèi)型厉萝。如果只有一個(gè)參數(shù)n，則為從0到n-1；如有有兩個(gè)參數(shù)n和m谴垫，則為從n到m-1章母；
np.linspace(begin,end,number)：創(chuàng)建包含number個(gè)元素的數(shù)組，并在指定的開(kāi)始值（包含）和結(jié)束值（包含）之間平均間隔翩剪；
np.ones(shape)：根據(jù)shape生成一個(gè)全1數(shù)組乳怎，shape是元組類(lèi)型，比如(2,3)前弯；
np.zeros(shape)：根據(jù)shape生成一個(gè)全0數(shù)組蚪缀，shape是元組類(lèi)型，比如(2,3,4)恕出；
np.full(shape,val)：根據(jù)shape生成一個(gè)數(shù)組询枚，每個(gè)元素值都是val；
np.eye(n)：創(chuàng)建一個(gè)正方的n*n單位矩陣浙巫，對(duì)角線為1哩盲，其余為0；
np.ones_like(a)： 根據(jù)數(shù)組a的形狀生成一個(gè)全1數(shù)組狈醉；
np.zeros_like(a)： 根據(jù)數(shù)組a的形狀生成一個(gè)全0數(shù)組；
np.full_like(a,val)： 根據(jù)數(shù)組a的形狀生成一個(gè)每個(gè)元素值都是val的數(shù)組惠险；
np.concatenate() 將兩個(gè)或多個(gè)數(shù)組合并成一個(gè)新的數(shù)組苗傅。
In [30]: arr3 = np.zeros((3, 6))
In [31]: print(arr3)
Out[30]: [[ 0., 0., 0., 0., 0., 0.] [ 0., 0., 0., 0., 0., 0.] [ 0., 0., 0., 0., 0., 0.]]
- 從磁盤(pán)讀取數(shù)據(jù)創(chuàng)建ndarray數(shù)組，將ndarray數(shù)組保存到磁盤(pán)（大部分情況會(huì)使用pandas或其它工具加載文本或表格數(shù)據(jù)）
np.load(fname)
? fname : 文件名班巩，以.npy為擴(kuò)展名渣慕，壓縮擴(kuò)展名為.npz
np.save(fname, array) 或 np.savez(fname, array)
? fname : 文件名，以.npy為擴(kuò)展名抱慌，壓縮擴(kuò)展名為.npz
? array : 數(shù)組變量
ndarray數(shù)組對(duì)象的屬性
- .ndim：秩逊桦，即軸的數(shù)量或維度的數(shù)量
- .shape：ndarray對(duì)象的尺度，對(duì)于矩陣抑进，n行m列
- .size：ndarray對(duì)象元素的個(gè)數(shù)强经，相當(dāng)于.shape中n*m的值
- .dtype：ndarray對(duì)象的元素類(lèi)型
- .itemsize：ndarray對(duì)象中每個(gè)元素的大小，以字節(jié)為單位
ndarray數(shù)組對(duì)象的類(lèi)型和維度變換
- .astype(np.float64)：將ndarray數(shù)組元素從一個(gè)類(lèi)型轉(zhuǎn)換成另一個(gè)類(lèi)型寺渗，返回一個(gè)新數(shù)組匿情。如果將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)，則小數(shù)部分將會(huì)被截取刪除信殊。（類(lèi)型變換）
- .reshape(shape)：不改變?cè)瓟?shù)組元素炬称，返回一個(gè)新的shape維度的數(shù)組（維度變換）
- .resize(shape)：與.reshape()功能一致，但修改原數(shù)組（維度變換）
- .swapaxes(ax1,ax2) 將數(shù)組n個(gè)維度中兩個(gè)維度進(jìn)行調(diào)換（維度變換）
- .flatten()：對(duì)數(shù)組進(jìn)行降維涡拘，返回折疊后的一維數(shù)組玲躯，原數(shù)組不變（維度變換）
- .tolist()：將N維數(shù)組轉(zhuǎn)換成列表（維度變換）
ndarray數(shù)組的索引和切片
具體使用參考
ndarray數(shù)組的運(yùn)算
- 數(shù)組與標(biāo)量之間的運(yùn)算，都會(huì)作用于數(shù)組的每一個(gè)元素；
- 大小相同的數(shù)組之間的任何算術(shù)運(yùn)算跷车，都會(huì)將運(yùn)算應(yīng)用到元素級(jí)棘利；
- 大小相同的數(shù)組之間的比較運(yùn)算，都會(huì)將運(yùn)算應(yīng)用到元素級(jí)并生成布爾值數(shù)組姓赤；
- np.abs(arr)\np.fabs(arr)：計(jì)算數(shù)組arr各元素的絕對(duì)值
- np.sqrt(arr)：計(jì)算數(shù)組arr各元素的平方根
- np.square(arr)：計(jì)算數(shù)組arr各元素的平方
- np.log(arr)\np.log10(arr)\np.log2(arr)：計(jì)算數(shù)組arr各元素的自然對(duì)數(shù)赡译、10底對(duì)數(shù)和2底對(duì)數(shù)
- np.ceil(arr)\np.floor(arr)：計(jì)算數(shù)組arr各元素的ceiling值 或 floor值
- np.rint(arr) 計(jì)算數(shù)組arr各元素的四舍五入值
- np.modf(arr) 將數(shù)組arr各元素的小數(shù)和整數(shù)部分以兩個(gè)獨(dú)立數(shù)組形式返回
- np.cos(arr)\np.cosh(arr)\np.sin(arr)\np.sinh(arr)\np.tan(arr)\np.tanh(arr)計(jì)算數(shù)組arr各元素的普通型和雙曲型三角函數(shù)
- np.exp(arr) 計(jì)算數(shù)組arr各元素的指數(shù)值
- np.sign(arr) 計(jì)算數(shù)組arr各元素的符號(hào)值，1(+), 0, ‐1(‐)
利用ndarray進(jìn)行數(shù)據(jù)處理
排序
ndarray數(shù)組通過(guò).sort()函數(shù)排序不铆，多維數(shù)組時(shí)傳入軸編號(hào)
NumPy的隨機(jī)數(shù)函數(shù)
- np.random.rand(d0,d1,..,dn)：根據(jù)d0‐dn創(chuàng)建隨機(jī)數(shù)數(shù)組蝌焚，浮點(diǎn)數(shù)，[0,1)誓斥，均勻分布
- np.random.randn(d0,d1,..,dn)：根據(jù)d0‐dn創(chuàng)建隨機(jī)數(shù)數(shù)組只洒，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布
- np.random.randint(low[,high,shape])：根據(jù)shape創(chuàng)建隨機(jī)整數(shù)或整數(shù)數(shù)組，范圍是[low, high)
- np.random.seed(s)：隨機(jī)數(shù)種子劳坑，s是給定的種
- np.random.shuffle(a)：根據(jù)數(shù)組a的第1軸進(jìn)行隨排列毕谴，改變數(shù)組x
- np.random.permutation(a)：根據(jù)數(shù)組a的第1軸產(chǎn)生一個(gè)新的亂序數(shù)組，不改變數(shù)組x
- np.random.choice(a[,size,replace,p])：從一維數(shù)組a中以概率p抽取元素距芬，形成size形狀新數(shù)組 replace表示是否可以重用元素涝开，默認(rèn)為False
- np.random.uniform(low,high,size)：產(chǎn)生具有均勻分布的數(shù)組,low起始值,high結(jié)束值,size形狀
- np.random.normal(loc,scale,size)：產(chǎn)生具有正態(tài)分布的數(shù)組,loc均值,scale標(biāo)準(zhǔn)差,size形狀
- np.random.poisson(lam,size)：產(chǎn)生具有泊松分布的數(shù)組,lam隨機(jī)事件發(fā)生率,size形狀
NumPy的統(tǒng)計(jì)類(lèi)函數(shù)
- np.sum(a, axis=None)：根據(jù)給定軸axis計(jì)算數(shù)組a相關(guān)元素之和，axis整數(shù)或元組
- np.mean(a, axis=None)：根據(jù)給定軸axis計(jì)算數(shù)組a相關(guān)元素的期望框仔，axis整數(shù)或元組
- np.average(a,axis=None,weights=None)：根據(jù)給定軸axis計(jì)算數(shù)組a相關(guān)元素的加權(quán)平均值
- np.std(a, axis=None)：根據(jù)給定軸axis計(jì)算數(shù)組a相關(guān)元素的標(biāo)準(zhǔn)差
- np.var(a, axis=None)：根據(jù)給定軸axis計(jì)算數(shù)組a相關(guān)元素的方差
- np.min(a)\max(a)：計(jì)算數(shù)組a中元素的最小值舀武、最大值
- np.argmin(a)\argmax(a)：計(jì)算數(shù)組a中元素最小值、最大值的降一維后下標(biāo)
- np.unravel_index(index, shape)：根據(jù)shape將一維下標(biāo)index轉(zhuǎn)換成多維下標(biāo)
- np.ptp(a)：計(jì)算數(shù)組a中元素最大值與最小值的差
- np.median(a)：計(jì)算數(shù)組a中元素的中位數(shù)（中值）
NumPy的梯度函數(shù)
梯度：連續(xù)值之間的變化率离斩，即斜率
XY坐標(biāo)軸連續(xù)三個(gè)X坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的Y軸值：a, b, c银舱，其中，b的梯度是： (c‐a)/2
- np.gradient(f)：計(jì)算數(shù)組f中元素的梯度跛梗，當(dāng)f為多維時(shí)寻馏，返回每個(gè)維度梯度
